（化学工程专业论文）液膜法提取青霉素g的实验研究.pdf

摘要 液膜法提取青霉素g 的实验研究 摘要 青霉素g 是目前生产量最大的b 内酰胺类抗生素，也是半合成青霉 素类抗生素的重要原料。传统的提取工艺大多采用溶媒萃取法从发酵液萃 取青霉素g ，传统工艺在低p h 条件下操作，存在着青霉素降解严重、生 产能耗大、萃取设备昂贵、溶剂回收困难等缺点。液膜分离技术作为一种 新型的分离纯化手段，可实现萃取反萃取过程耦合，具有传质效率高、 选择性好的优点，可以克服传统萃取工艺中的不足，液膜技术已成为青霉 素分离领域的一个研究热点。 本文分别采用大块液膜( b l m ) 和中空纤维更新液膜( h f r i ，m ) 技 术，对模拟青霉素发酵液进行分离纯化。在最佳条件下，进行了h f r j 朋 提取青霉素的工业应用小试研究。 建立了适用于萃取过程的青霉素g 的h p l c 分析方法，结果表明在 o 0 2 m 磷酸二氢钾溶液( p h = 3 5 ) ：甲醇= 3 8 ：6 2 的流动相条件下青霉素 g 保留时间短，色谱峰形尖锐，重复性好，不受缓冲盐和有机溶剂的干扰。 基于青霉素g 两种不同的萃取机理一物理萃取和反应萃取，分别考 察了载体浓度、稀释剂、温度、p h 、料液浓度等不同操作条件对萃取分 配系数的影响，并针对不同萃取剂的萃取机理进行了探讨。其中物理萃取 在较低的p h 下具有较高的分配系数，但青霉素降解严重。反应萃取在较 高的p h 范围内( 5 7 ) 仍具有良好的萃取效果，可以在常温下操作。 通过大块液膜实验验证了液膜过程在青霉素g 提取过程中的可行性 和优势，进行了中空纤维更新液膜技术在青霉素g 提取过程中的实验研 究，考察了操作方式、两相流速、两相p h 、载体浓度、料液初始浓度、 相比等操作条件对传质系数的影响。改变料液侧的流速有利于传质；两相 p h 差值是青霉素g 提取过程的主要传质推动力；h f 对m 传质系数随载 体浓度的增大而增大；h f r l m 的传质通量高于支撑液膜的传质通量，一 定程度上可以超过膜萃取的传质通量。 h f 砌m 对中高浓度5 0 0 0 0 u 青霉素g 料液的提取和浓缩效果良好， 料液去除率9 9 2 ，反萃收率达到9 2 2 。处理较高浓度( 1 0 0 0 0 0 u ) 料 液，浓缩比仍可达到3 5 。采用串级操作处理高浓度( 1 0 0 0 0 0 u ) 青霉素的 模拟工艺小试研究，最终料液相去除率达到8 8 7 6 ，由于料液中大量晶 体析出，反萃侧的收率仅有6 2 5 9 。 结果表明，中空纤维更新液膜技术应用于青霉素g 的提取，可以克 服传统提取工艺的缺陷，大大提高分离效率，在生物制品的分离纯化领域 具有广阔的发展前景。 关键词：中空纤维更新液膜，青霉素g ，h p l c ，萃取，非平衡传质 摘要 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o fl i q u i dm e m b r a n ei n t h ep r o c e s so fp e n i c i l l i ngr e c o v e r y a b s t r a c t p e n i c i l l i ng ( p g )i saw i d e l yu s e da n t i b i o t i ca n da l s os e r v e sa sa n i m p o n a n t r a wm a t e r i a lf o r s e m i s y n t h e t i cp e n i c i l l i i l s d u r i i l g t r a d i t i o n a l p h y s i c a ls 0 1 v e n te x t r a c t i o no fp g 丘o mf i l t e r e db r o t h ，t h el o s to fp ga r e c o n s i d e r a b l ea tp hv a l u e so f1 8 2 2 al o wt e m p e r a t u r eo fot o5 。cm u s tb e a p p l i e da n de x p e n s i v ec e n t r i f u g a le x t r a c t o r sa r en e c e s s a 哆f o rt h ep h a s e s e p a r a t i o ni ne x t r a c t i o n l i q u i dm e i n b r a n e s ( l m ) t e c h n i c a l i saa l t e m a t i v e w h i c hc a nc o m b i n ee x t r a c t i o na n db a c k - e x t r a c t i o np i o c e s s e si no n es t e p w i t h t h et h ea d v a n t a g e so 仆i g l lm a s st r a n s f e re f f i c i e n c ya n dg o o ds e l e c t i v i t y ，l i q u i d m e m b r a n eh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ta d v a n t a g e o u st e c h n i q u e si nt h e p u r i 丘c a t i o na n ds e p a r a t i o nb i o c h e m i c a lp r o d u c t ss u c h 鹤p e n i c i l l i ng i nt h i sw o r k ，b u l kl i q u i dm e m b r a n e ( b l m ) a n dan e wl i q u i dm e 1 b r a n e ， n a m e dh o u o wf i b e rr e n e w a ll i q u i dm e m b r a n e ( h f r l m ) w e r e a p p l i e dt os t l l d y t h es e p a r a t i o no fp e n i c i l l i ngt h ef o l l o w i n ga c h i v e d m e n tw e r eg o t t e ni nt h i s ah p l cm e t h o d 五d rp e n i c i n i ngd e t e n n i n a t i o ni ni t ss o l v e n te x t r a c t i o n p r o c e s sw a se s t a b l i s h e d o 2m o l l 1k h 2 p 0 4 ( p h = 3 5 ) 仰e t h a i l o l ( 3 8 ：6 2 ) w a sc h o s ea st h em o b i l ep h a s e t h em e t h o di sr a p i d ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l ea n d t h ei n f l u e n c eo fb u c e ra n do 玛a n i cs o l v e n t sc a nb eo m i t t e d i 北京化工大学硕士学位论文 s e v e f a lk i n d so fe x t r a c t a n t sw e r eu s e dt os t u d yt h ee x t r a c t i o nb e h a v i o r w i t hd i f f e r e n t p h ，t e m p e r a t u r e ， c a r r i e r c o n t e n t ， d i l u e n t 1 飞e p a t i t i o n c o e f i c i e n t so fp h y s i c a le x t r a c t i o np r o c e s s e sw a sh i g h e rb u ic o n s i d e r a b l ep g w e r el o s t r e a c t i v ee x t r a c t i o np r o c e s sc a nb ec o n d u c t e du n d e rm i l dp h( 5 7 ) a n dr o o mt e m p e r a t u r e b u l kl i q u i dm e m b r a n ee x p e r i i i l e n tw a s p e r f o r m e dt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t y a n da d v a n t a g e so fl i q u i dm e m b r a n ei np e n i c i l l i ng s e p a r a t i o n 。n l ee f f 色c t so f o p e r a t i o nm o d e ，f l o wr a t e ，c a 玎i e rc o n c e n t r a t i o n ，p ho nt h em a s st r a n s f c r p e 面咖a n c eo fh f r l mw e r ed e t e 珊i n e d 1 n h ep hd i 骶r e n c eb e t w e e nt h e f e e da n ds t r i pi st h em a i nd r i v i n gf o r c ed u 血gt h em a s st r a n s f e rp r o c e s so f p e n i c i l l i ng h f r l mh a sb o t hg o o de x i r a c t i o na n dc o n c e n t r a t i o ne f f i c i e n c i e sf o r p e n i c i l l i ng t h ee x t r a c t i o ni nt h ef e e dr e a c h e d9 9 2 a n dt h er e c o v e r yi nt h e s t 却w a s9 2 ，2 i nt h ec i r c u l a t e de x p e r i m e n t sw i t hai n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f 5 0 0 0 0u d u r i n gt h es i m u l a t e d p r o c e s s w i t h 琢r l mt o s e p a r a t eh i g h c o n c e n t r a t i o n ( 1 0 0 0 0 0u ) f e e d ，t h er e c o v e 巧o fp e n i c i l l i ngc a nr e a c ha b o v e 8 8 m e r8s t a g e sh l 珉i 。mo p e r a t i o n 腼y w o r d s ：h f r l m ，p e n i c i l l i ng ，h p l c ，e x t r a c t i o n ，m a s st r a n s f e r n o n e q u i l i b r i u mm a s st r a n s f e r l y 符号说明 符号说明 传质面积，m 2 料液中青霉素g 初始浓度，m o l l 1 料液中青霉素g 浓度，m o l l - 1 反萃相中青霉素g 浓度，1 0 l - l 1 载体浓度，m o l l - l 纤维外径，m 纤维内径，m 物理萃取分配系数 反应萃取分配系数 膜器壳程内径，m 青霉素分子 青霉素酸根离子 料液相青霉素g 的传质通量，m 0 1 酊。一 反萃相相青霉素g 的传质通量，m 0 1 n 产一 料液相总传质系数，m 一 膜器长度，m 壳程的流量，m l n 五n - l 管程的流量，m l - m i 一 料液相硝 反萃相胡 膜器中纤维数目 d ( 彳 钿 a 以 西 历 册 f 乃 五 晦 l l 厶 晰 以 撑 北京化工大学硕士学位论文 壳程流速，m 一 管程流速，m 一 时间，m i n 膜厚，m 膜孔隙率 膜器入口 膜器出口 x 嘞 ， p 咖 似 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：垦盘盘：日期：迦& ：垦：生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学毛学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：曼丑迫：日期： 导师签名：勉 一 日期： 珈9 、6 、牛 如墨、易、年 第一章文献综述 1 1 青霉素g 概述 第一章文献综述 1 1 1 青霉素g 的结构和性质1 固 青霉素属天然b 内酰胺类抗生素，是目前生产量最大的抗生素。青霉素及半合成 青霉素是临床应用极为广泛的抗菌药物，具有抗菌作用强、疗效高、毒性低等优点， 是治疗细菌性感染的重要药物。青霉素还是裂解生产6 a p a ( 6 氨基青霉烷酸) 和 7 a d c a ( 7 氨基3 去乙酰氧基头孢烷) 等半合成抗生素中间体及头抱菌素类抗生素 的重要中间体和原料。因此，青霉素在抗生素类生产中占有很重要的地位。全世界每 年的青霉素市场规模大概有5 0 亿美元左右，由于日益增长的劳动力、能源和原材料 消耗，青霉素的大批量生产逐渐从欧洲转移到远东，特别是中国和印度。经过近几十 年的研究，青霉素的生产能力和发酵工艺已经有了长足的发展。 青霉素g 又称卞青霉素、盘尼西林，是一种天然青霉素，是青霉菌分泌的一种有 机酸，p l 白= 2 7 5 ，其化学结构式如图1 1 所示，青霉素g 分子中含有一个噻唑环和一 个游离羧基，前者是b 内酰胺族抗生素共有的特征，后者使其呈弱酸性。 兮啪一世匕 图1 1 青霉素g 的分子结构式 f i g 1 l1 1 l cs 咖c t l l 佗o fp e n i c m i ng 青霉素作为一种有机弱酸，在水溶液中存在电离平衡 h p 矿+ p 其中，h p 为青霉素分子，f 为青霉素酸根，k 口_ c ( h + ) c ( p ) c ( h p ) 为青 霉素离解常数，一l 咖= 2 7 5 。在水溶液中，青霉素存在分子态和阴离子态( 酸根) ，其 物质的量之比随着p h 值的不同而变化，在p h = 2 7 5 时二者的组成相等，即各占5 0 ； p h = 2 0 时，分子态占8 5 ；p h = 3 o 时，分子态占3 6 1 3 l o 青霉素可以与金属或有机碱结合成盐，常有钠盐、钾盐、普鲁卡因盐和苄星盐。 青霉素盐的化学名称是( 2 s ，5 r ，6 r ) - 3 ，3 二甲基6 - ( 2 苯乙酰氨基) 7 氧代4 硫杂1 氮杂双环【3 2 0 】庚烷一2 甲酸钠( 钾) 盐。青霉素的钠盐、钾盐均为白色结晶粉 北京化工大学硕士学位论文 末：无臭或微有特异性臭，有引湿性；遇酸碱或氧化剂迅速失效。在水中极易溶解， 乙醇中微溶。 1 1 2 传统的青霉素g 提取工艺 青霉素的大规模生产采用的是生物发酵法，其分离提纯包括过滤、提取、共沸结 晶等工序。传统的青霉素发酵液提取工艺主要有吸附法、沉淀法、溶剂萃取法、离子 交换和树脂吸附法，目前在青霉素提取中普遍采用的是溶剂萃取法。 1 1 2 1 吸附法 吸附法系利用吸附剂与抗生素之间的分子间吸引力而将抗生素吸附在吸附剂上。 吸附剂有活性炭、三氧化二铝、白土、大孔吸附剂等。其中以活性炭应用得最早。 m a l l e s h 等1 4 j 在研究a m b e r l i t ex a d - 1 6 和a m b e 订i t ex a 驴7 两种树脂时发现， 在较低的p h 值下，青霉素v 可以吸附到中性的芳香族吸附剂上，并且随着p h 值的 降低，青霉素v 的吸附量增加，而在较高的p h 值下，青霉素v 易溶于水，几乎无法 利用青霉素v 被吸附的特点来吸附提取。由于青霉素v 是热敏性物质，且稳定性差， 吸附法由于操作周期较长而造成青霉素的损失，所以只进行了实验室规模的研究。 1 1 2 2 沉淀法 沉淀法是分离抗生素的最简单而经济的方法，浓缩倍数高。它是利用抗生素能和 某些无机、有机离子或分子形成复合物而沉淀，此外也可利用本身的等电点沉淀析出。 然后将沉淀物在适宜的条件下，再进行分离精制而得到提纯的目的。 青霉素生产可以通过加入无毒的弱酸或部分有机强酸到青霉素发酵滤液或盐溶 液中调节p h 值获得【5 ，6 j 。酸性相对较弱的酸离解常数常选择在( 1 3 6 6 ) 1 0 - 5 的一元 脂肪酸，如乙酸、丙酸等，或二元脂肪酸，如丁二酸等。强酸的离解常数至少为1 7 l 酽， 如硫酸、盐酸、磷酸、柠檬酸等。酸化过程中强酸的存在可以使青霉素沉淀完全。为 了获得较高的收率，通常先加入弱酸，然后缓慢加入强酸或部分强酸与弱酸同时加入， 大部分青霉素沉淀后，加入剩余的强酸。 徐兵1 7 】提供了一种青霉素v 提纯工艺，该方法采用青霉素v 发酵滤液加入有机酸 或无机酸调节p h 值在3 5 以下，得到青霉素v 一次酸化沉淀；然后加入碱性物质调 节p h 值为4 5 8 0 ，将青霉素v 沉淀溶解得到青霉素v 碱化液；经活性炭脱色、过 滤，滤液进入喷雾干燥设备干燥，得到较纯的青霉素v 盐固体物。为了得到质量较好 的青霉素v 盐，通常将青霉素v 碱化液进行二次酸化沉淀处理。此方法得到的低成 本的青霉素v 或盐可作为制备6 a p a 的原料。 2 第一章文献综述 利用沉淀法直接从发酵液中回收分离和提纯青霉素优点很多，如节省或不用溶 媒，收率高；操作费用降低；设备简单，工艺路线短；对羟基青霉素酸化后存在于液 相中等。但是在青霉素酸化过程易形成黏性的油状物，过滤处理存在一定的问题。 1 1 2 3 溶剂萃取法 溶媒萃取法( 液液萃取法) ：当抗生素以不同的化学状态存在于( 游离酸或游离 碱状态) 与水不溶性的溶媒中，有不同的溶解度，利用分配系数不同而达到浓缩和提 纯的目的。在较低的p h 值时，大部分青霉素g 以未解离酸分子形式存在，在水中溶 解度较低但易溶于有机溶剂，因此可用溶剂萃取技术提取青霉素。 溶剂萃取分物理萃取和反应萃取两大类。目前在青霉素提取过程中普遍采用的是 碳一键合氧给予体类型的萃取剂，即碳氢化合物和取代的碳氢化合物溶剂，在p h 值 为2 0 左右进行萃取青霉素，萃取收率服从分配定律，称为物理萃取。 工业上一般采用醋酸丁酯为萃取剂，在p h 值1 8 之2 时i o 】进行萃取生产。青霉 素在一定酸性条件下呈游离酸状态，在醋酸丁酯中的溶解度远大于在水中的溶解度， 青霉素从水相转入酯相，水溶性杂质留在水相。把互不相溶的酯相与水相分开后就实 现了水溶性杂质与青霉素的分离。工业上的提炼流程如下： 区堕h 巫h 丑成品 图l - 2 青霉素g 提纯工艺流程图 f i g 1 2t h ep u 施c a t i o np r o c e 豁0 fp e n i c i l l i ng 青霉素发酵液经絮凝、过滤除去不溶性杂质后，滤液中加入醋酸丁酯把青霉素萃 取到酯相，萃取液纯度达到6 0 7 0 。酯相低温脱色后加入n a 2 c 伤或k 2 0 d 3 水溶 液进行反萃，青霉素又返回到水相，进行酸化脱除酯溶性杂质。反萃液加丁醇共沸结 晶，结晶后纯度可达9 0 以上。晶体经洗涤、干燥去除溶剂成为青霉素钠盐或钾盐产 品。 该工艺存在很多问题：青霉素在酸性水溶液中不稳定，容易发生降解而影响青霉 素的收率和质量；滤液中的蛋白质在强酸性条件下变性而导致萃取过程严重乳化1 1 1 l ， 影响两相分离；有机溶剂的挥发造成环境污染，且存在潜在的爆炸危险。其中解决乳 化现象的方法主要有两种：1 ) 萃取时添加高效破乳剂，如溴代十五烷基吡啶( p p b ) 、 十二烷基三甲基溴化铵( 1 2 3 1 ) 等；2 ) 在预处理阶段利用调节等电点促使杂蛋白沉 3 北京化工大学硕士学位论文 淀，用p a m c ，c p 9 1 1 等絮凝杂蛋白。使用这两种方法并不能完全消除萃取过程的乳 化现象，仍需使用高速离心分离机实现水相与酯相的分离。 反应萃取是带有化学反应的萃取过程，即在溶剂与溶质之间存在确定的化学计量 关系的强溶剂化或离子反应的萃取过程，可分为中性络合萃取、阳离子交换萃取、离 子缔合萃取和协同萃取等。由于青霉素极易分解，物理萃取在p h = 1 8 2 0 时进行只 能停留几秒钟。青霉素在p h = 6 8 时比较稳定，以解离状态分散在水溶液中，而用传 统的c o 型萃取剂无法实现物理萃取，而反应萃取可以很好的解决这一问题。另外相 对于物理萃取来说，反应萃取具有选择性好等特点，常用于青霉素反应萃取的萃取剂 主要是高分子脂肪胺类等。 r e s c h l 【e l 等【1 2 j 使用脂肪胺或季铵盐萃取剂在酸碱性温和的条件下提取青霉素，指 出青霉素酸( h p ) 和脂肪胺( a ) 反应萃取的机理是中和反应。c a s c a v a l 等【1 3 l 采用高 相对分子质量胺萃取剂a m b e r l i t ei 。a _ 2 ( n 1 a u 叫n t r i a l k y l l l l e t h y l a m i n e ) 溶解在乙酸 丁酯中反应萃取青霉素v ，在两相界面上可以形成疏水的复合物。实验中发现水溶液 的p h 值是影响反应萃取的重要因素。在p h 值低于5 时，青霉素v 的萃取收率为9 7 9 8 ，在p h 值为7 5 时萃取收率仅为2 0 。使用i a 2 和乙酸丁酯萃取青霉素g 和青 霉素v 已经成功地应用于中试和工业规模生产上【1 4 l 。 1 1 2 4 离子交换和树脂吸附法 青霉素g 的生产采用生物合成法，其分离提纯过程包括过滤、提取、共沸结晶等 一系列分离和纯化过程。近年来，随着青霉素扩产，产量激增，造成供过于求的状况， 为了提高行业竞争力，科技工作者围绕完善现有萃取过程和进行新技术开发两个方面 进行了大量研究工作。青霉素提纯工艺的进展主要集中在改进工艺、方法、设备几方 面。 离子交换法系利用离子交换树脂和抗生素之间的化学亲和力，有选择性的将抗生 素吸附上去，然后用较少量的洗脱剂将它洗下来，从而达到浓缩和提纯的目的。目前， 离子交换和树脂吸附技术主要用于从青霉素提取、结晶后得到的废液中回收青霉素以 及在青霉素水解生产6 心过程中去除苯乙酸以降低其浓度。 鹤等【1 5 j 运用离子交换的方法从青霉素生产过程产生的废液中分离青霉素，用三 种不同的阴离子交换树脂和七种不同的洗脱方式研究了青霉素的吸附和解吸。在不同 的洗脱条件下，青霉素的脱附能力随所使用的树脂种类不同而变化；提高树脂中二乙 烯苯( d v b ) 的含量，青霉素的吸附能力下降谌竞清等1 1 6 j 进行了强碱性树脂从水 正丁醇溶液中吸附青霉素g 的研究，对凝胶型和大孔型树脂在动态和静态条件下的吸 附行为进行了对比。凝胶型2 0 1 x 4 氯型树脂能很好地吸附青霉素g ，向混合洗脱剂中 添加丙酮对提高洗脱效果有利。戈悦慈等1 1 7 j 使用大孔吸附树脂从青霉素结晶母液中回 第一章文献综述 收青霉素，青霉素钾盐的平均总收率6 2 ，纯度在9 5 以上。 离子交换和树脂吸附技术用于青霉素提纯，收率偏低，解吸困难，并且其规模与 产量很难适应青霉素的大规模生产。 1 1 2 5 现有工艺的改进与完善 苗勇等【1 8 j 对乙酸丁酯萃取青霉素的理论模型进行了探讨，并做了大量的实验研 究，针对传统的青霉素萃取工艺条件进行了优化，提出了室温三级萃取新工艺。新的 萃取操作工艺条件，即p h ( 3 0 0 2 ) ，温度为常温2 0 ，相比n 啊= 1 3 1 4 ，并 采用三级萃取以保证萃取率。他们认为，适当提高萃取的p h 值，有利于萃取体系选 择性的提高，可以减小青霉素的损失；常温萃取可以极大地降低能耗；适当降低相比， 有利于提高产品质量，减少对杂酸的萃取。由于目前的方案对青霉素半衰期的影响不 大，对减小效价损失贡献较小；新增工艺设备的投产还受到场地占用、设备安装以及 市场价格风险等因素的影响，因此用于工业生产目前还未见报道。 方成开等1 1 9 j 开发了一种新型萃取剂7 0 4 5 及其与之配套的新萃取工艺。新工艺省 去了废液( 萃余液) 蒸馏回收溶媒工序和废溶媒提纯工序，有机相只需经过简单的再 生处理就可直接返回萃取工序，可以大大节省能源。其次，新工艺中溶媒耗损少，萃 余液中残存溶媒量极低，可以大量节约溶媒。再者，新工艺使用7 0 4 5 煤油溶液，毒 性比丁醇、乙酸丁酯的毒性低，沸点、闪点高，因此使用安全，惟有一定气味，引起 人体不适。此外，新工艺的提炼收率比旧工艺稍高，产品质量稍好，且设备投资少， 新工艺的经济效益明显高于旧工艺。 现行的乙酸丁酯提取工艺，由于使用破乳剂，这样会增加生产成本。如果能开发 出自身具有破乳能力的萃取剂就可以少使用或不使用破乳剂，节约大量开支。y a n g 等l 驯、王斌【9 j 等考察了脂肪醇类萃取剂在青霉素g 发酵滤液提取过程中的应用。结果 表明，脂肪醇类萃取剂( 如正己醇) 不但能够在p h 3 5 4 o 下有效萃取青霉素，而且 反萃也不困难，更有意义的是脂肪醇本身还具有破乳能力，萃取过程不产生乳化，不 用加破乳剂。此外，脂肪醇与乙酸丁酯还有协萃效应，乙酸丁酯的加入，能阻止醇的 多聚，使羟基活性增强。该混合萃取剂能够进一步提高脂肪醇类萃取剂的萃取能力， 也解决了脂肪醇因粘度大而流动性差的缺陷。此外，中性磷类萃取剂也具有破乳能力， 可以降低破乳剂的用量( 其破乳剂的用量为纯乙酸丁酯体系的四分之一以下) 【2 卜2 3 1 ， 因此中性磷类萃取剂及脂肪醇类萃取剂可作为青霉素提取用新型萃取剂。 1 1 3 新型青霉素g 提取工艺的开发 5 北京化工大学硕士学位论文 1 1 3 1 双水相萃取 双水相分配技术是近年来发展起来的提取和纯化生物活性物质的新型分离方法 之一。一般而言，双水相系统( 册s ) 1 2 4 l 是指把两种聚合物或一种聚合物与一种盐 的水溶液混合在一起，由于聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间的不相溶性而形成 互不相溶的两相。 关怡新等p j 研究了p e g ( 聚乙二醇) 硫酸铵水双水相系统用于青霉素发酵液的 萃取，并进行了小试实验，得到了青霉素g 的结晶，纯度为8 8 4 8 ，总收率为7 6 5 6 。 该流程可直接处理发酵液，免除了发酵液的预处理，且在两相的界面上也未见乳化； 将传统工艺中的3 次萃取减少为1 次双水相萃取和一次乙酸丁酯反萃，降低了乙酸丁 酯的用量。该新工艺中，价格偏高的p e g 的回收是制约该方法投入工业化生产的主 要原因，p e g 的回收利用目前研究结果较少。 近年来，一种新型绿色溶匍卜离子液体的出现引起各国学者的广泛关注。离子 液体是指在由离子组成的室温时呈液态的液体，一般由有机阳离子和无机阴离子组 成。改变阴阳离子组成，可以合成不同性质的离子液体，被称为“设计者溶剂”。离 子液体几乎没有蒸气压、不挥发。离子液体分为疏水性和亲水性两种类型，研究表明， 疏水性离子液体萃取红霉素得到很好的效果【2 6 1 。r o g e r s 等【2 7 1 采用亲水性离子液体1 丁基3 甲基咪唑盐酸盐( 【b m i m 】a ) 和水合磷酸钾( k 3 p 0 4 ) 可以形成上相富集离子 液体和下相富集磷酸钾的双水相体系( 筒曙s ) 。 刘庆芬等i 冽以亲水性离子液体【b m i l l l 】b f 4 和n a h 2 p 0 4 2 h 2 0 水溶液形成的双水相 体系为研究对象，考察了影响双水相形成的因素以及青霉素g 的萃取特性。结果表明， 该体系可以有效萃取青霉素，轻相中青霉素萃取率可达9 3 。7 。萃取p h 值在4 5 之 间，青霉素降解率降低，萃取收率提高。萃取过程不发生乳化现象，有利于两相分离。 萃取率受成相盐浓度、初始青霉素浓度以及离子液体浓度的影响。 1 1 3 2 三相一步法 陈继等四i 将现行溶媒萃取工艺和双水相分离工艺结合起来实现优势互补，利用与 水不相溶或极少相溶的有机溶剂与双水相体系共同组成的三相体系一次完成对复杂 混合物的分离，达到目标产物和副产物的定向分离。一步法将原来需要多步完成的萃 取过程集中在一个萃取过程中完成，将原来工艺中的絮凝、破乳、脱色、冷冻、脱水 等步骤一次完成，有效的简化了现行的工艺流程。研究结果表明，三相一步法用于萃 取青霉素发酵滤液和全发酵液，一次乙酸丁酯的各项指标均可达到现行滤液萃取后的 标准，超过现行的发酵液萃取标准。 第一章文献综述 1 1 3 3 反胶团萃取 反胶团是一种新型生物活性物质的分离方法，最初应用于具有鲜明等电点的氨基 酸、蛋白质类物质的分离。吴子生等【3 0 】在室温和p h 5 8 的条件下进行了青霉素g 的 反胶团相转移提取研究，提取率在9 0 以上。离子强度及p h 对青霉素萃取率、反萃 取率的影响不大，但是离子强度对蛋白质的萃取率影响很大，因此可利用这些特点将 杂蛋白除去。 1 1 3 4 外场强化萃取 外场强化可以提高化工分离过程的分离效率。用电场来强化萃取过程，可以改善 液滴表面性质，提高其传质系数，同时还能促进分散的液滴凝并团聚，缩短分相时间。 w 色a t l l e r l e y 等1 3 1 3 3 】在实验室研究了电场强化对二氯甲烷萃取青霉素的影响。实验在高 度为o 1 6 5 m ，直径为2 5 m m 的玻璃喷淋萃取柱中进行，青霉素发酵液经静电喷嘴喷出 后，作为分散相与在电场作用下的二氯甲烷逆流接触，完成萃取过程。结果表明，该 方法用于全发酵液的萃取可以提高界面传质速率，分相困难的问题也可得到解决。在 p h 4 ，2 0 k v 电场作用下，青霉素的萃取率可以提高5 倍。电场强化萃取可作为青霉素 全发酵液萃取过程中机械强化液液接触的替代方法。 1 1 3 5 超临界流体萃取 超临界流体萃取( s u p e r c 矗t i c a l 丑u i de x 仃a 臌i o n ，s f e ) 是新型的提取技术，它以超 临界条件下的气体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出某些成分并进行分离。与一般 液体萃取相比，s f e 的萃取速率和范围更为扩大，选择适宜的溶剂如c 0 2 ，可在较低 温度或无氧环境下操作，分离、精制热敏性物质和易氧化物质；s f e 还具有良好的渗 透性和溶解性，能从固体或粘稠的原料中快速提取有效成分；无溶剂污染，且回收溶 剂无相变过程，能耗低；兼有萃取和蒸馏的双重功效。 g o r d i l l o 等1 3 4 3 5 j 对不同温度和压力范围内青霉素g 在s f ec 0 2 中的溶解度进行了 考察，发现当压力高于1 5 0 b 村时，溶解度随温度和压力的上升而增加，当压力低于 1 5 0 b 缸时，溶解度随压力的上升、温度的下降而增加，证实了超临界流体作为一种有 效的分离技术应用于青霉素生产的可行性。但由于其溶解度较低，利用超临界流体从 发酵液中提取抗生素还有待进一步研究。 1 1 3 6 膜分离技术 1 ) 微滤和超滤 7 北京化工大学硕士学位论文 青霉素g 生产的第一步就是从发酵液中提取菌丝体，传统的提纯工艺采用过滤和 昂贵的离心设备，这些工艺不但能耗高，由于分离过程中产品残留在菌丝体滤饼层， 不能达到1 0 0 的回收率，需要后续的深度洗脱。微滤和超滤技术目前己应用于发酵 液中青霉素的提纯p 引。 一 2 ) 膜萃取 中空纤维膜萃取器是指萃取器中包含一束具有微孔的中空纤维，两种液相分别在 纤维的内侧( 管程) 和外侧( 壳程) 流动，两相界面固定于纤维壁的微孔中并调节适 当的压力维持其稳定。纤维膜壁既做为防止乳化的屏障又起到两相通过膜孔进行传质 的支撑体的作用。中空纤维膜萃取技术能够克服液膜萃取稳定性差的缺点，同时由于 其非分散性使得该萃取过程不会产生乳化现象，由于没有混合，也不存在分相的问题， 且传质效率较高，用于萃取性分离过程时，其过程设计及放大比传统的分散型装置简 单【飒3 8 1 。 y a n g 等【3 9 加l 利用中空纤维膜( c e l g a r d 膜) 萃取技术进行了青霉素g 的反应萃取 研究。结果表明，萃取过程的传质阻力主要在原料液中；反萃过程中的阻力比萃取过 程要大1 0 倍，但可以通过选择亲水性纤维膜来减小该阻力。l 彪a r o v a 等 4 l l 使用两个 中空纤维膜萃取器同时进行大规模的青霉素模拟料液的反应萃取和反萃应用研究，对 传质模型及工艺条件优化进行了深入探讨并给出了工艺条件优化建议。 该方法适用于青霉素类不稳定生物物质的全发酵液提取，价格低廉，是离心萃取 的一个很好的替代方法，可以明显地节能降耗。该方法目前仅限于实验室规模的模拟 料液研究，真实发酵液体系远比模拟体系复杂，因此还需进一步考察、完善。 3 ) 液膜技术 液膜萃取技术用于青霉素提取可实现萃取反萃取过程耦合，是当前青霉素分离领 域的另一个研究热点。其技术原理都是在料液相和反萃相之间引入一层与料液相和反 萃相不相混溶的萃取相液膜，利用这一液膜实现分隔两相并对溶质分子进行选择性传 递的作用。溶质分子在浓差推动力的作用下，从料液相主体扩散迁移到料液相与液膜 相的界面，进入液膜相；在液膜内经扩散到达液膜与反萃相的界面，再进入反萃相。 该方法也被称为同级萃取反萃过程，在这一过程中，促使溶质分子跨过液膜进行传质 的推动力是料液相与反萃相之间的浓度或p h 值差。用于青霉素提取的液膜萃取技术主 要是乳化液膜( e l m ) 、支撑液膜( s l m ) 两大类。与传统的液液萃取相比，液膜萃 取具有如下优点：( 1 ) 能提供比较大的相界面积，渗透速率高，两相接触时间短；( 2 ) 可以连续再生，溶剂使用量很少；( 3 ) 在萃取和转移过程中，溶剂的损失很少；( 4 ) 只要两水相间的p h 梯度能够维持，溶质就可能逆浓度梯度转移。图1 3 展示了利用乳 化液膜过程反应萃取青霉素g 的作用机理。 8 第一章文献综述 毫呀婴! 紫黼- 蛳p i _ t l o 一p 耵i 1 一一一一 l t 打婚w t l 副p h 枷 l 曲p - n 忡 土t h 。p 。 图l - 3 青霉素g 在乳化液膜中的传输机理 f i g 1 31 1 圮t 啪s p c nm e c h a n i 锄o fp e n i c m i ngi ne u m 一般的，在液膜外水相和液膜界面处，反应萃取剂( a ) 与未解离的青霉素酸分 子发生如下的反应： m a ( o 玛) + n ( h p ) ( a q ) 付a m ( h p ) n m 摩尔的萃取剂( 载体) 与n 摩尔未解离的青霉素在外水相界面处反应生成1 摩尔 的化合物【a m ( h p ) n 1 ，化合物扩散通过膜相到达内水相界面处，在内水相高p h 差的 推动力下分解成氢离子和青霉素酸离子进入内水相，无负载的萃取剂分子然后扩散回 到膜相。由于实现了同级萃取和反萃，料液中青霉素的浓度能够降至到比较低的值。 如图所示，乳化液膜反应萃取青霉素的驱动力在于内外水相较高的p h 值梯度。在大多 数利用e l m 进行青霉素g 的提纯研究中，高分子质量二级胺a m b c r l i t el a 一2 ( 套h a i 町l n t r i a l k y l i i l e t h y k 衄i i l e ) 被证实是最优良的载体，膜相通常以煤油或醋酸丁 酯或正癸醇作为溶剂，e c l a4 3 6 0 j 或s p 加8 0 或p a r a b a r 9 5 5 1 作为表面活性剂，外水 相通常用柠檬酸和柠檬酸钠缓冲液调节p h 值在5 8 以防止青霉素的分解，而碳酸钠水 溶液认为是最佳的内水相反萃剂以维持较高的p h 梯度。 。 在乳化液膜的研究方面，国外许多研究者针对e l ，m 提取青霉素的间歇操作体系进 行了传质机理、界面反应动力学、操作条件【4 弹l 和数学模型的研究i 州7 l 。k e 等分别 考察了膜相表面活性剂组成、溶剂的组成、乳液w o 的比率、料液青霉素浓度、内外 水相中萃取剂、反萃剂的浓度对青霉素萃取率、传质系数、乳液溶胀的影响，得到了 最佳配比条件i 啦沁o j 。在工业应用方面，采用一套o l d s h u e r u s h t o n 型的连续操作逆流萃 取柱1 5 m 3 j 对传质界面积、两相流率、表面活性剂组成和w 0 进行了研究，并建立了相 应的模型。在国内，朱澄云等用乳状液膜法从发酵液中提取青霉素g 时，在最佳条件 下，提取率可达7 6 5 ，浓缩比为6 酬。吴汉奇等【5 5 】采用w o 型乳状液膜提取模拟发酵 液中的青霉素，结果表明，青霉素提取率随表面活性剂和载体浓度的增加而明显增加。 但表面活性剂浓度增加使液膜易产生再乳化，而再乳化和搅拌是夹带溶胀产生的主要 原因。另有报道称，乳状液膜法还能用于青霉素g 提取酶促水解6 氨基青霉烷酸 ( 岳a p a ) 制备一体化m l 。目前，液膜溶胀是影响乳化液膜技术工业化应用的关键因 9 北京化工大学硕士学位论文 素之一。 m a r c h e s e 【5 7 l 等最先把支撑液膜技术应用于青霉素的提取，描述了四丁基胺和青霉 素作用生成的离子团在膜相中转移，两侧水相的p h 值控制在5 8 之间，保证了青霉素 的稳定性，减少了提取损失。台湾清华大学化工系进行了支撑液膜法提取青霉素新工 艺的研究1 5 眄舛，系将溶解于正癸醇的l a 2 支撑在多孔的聚丙烯膜上，利用胺类与青霉 素固定的化学反应，把青霉素从膜一侧的溶液选择性地转入另一侧。目前，支撑液膜 的研究还停留在初步探索阶段【删。此外，还有研究者对其他液膜形式如大块液膜【6 、 中空纤维包容液膜1 6 硒3 j 提取青霉素进行了研究。 就目前研究进展来看，还需解决乳化液膜稳定性、乳化相溶胀、萃取剂流失问题 以及完善高压电场破乳技术，才能使乳化液膜技术得到广泛的工业化应用。至于支撑 液膜技术则需解决多孔介质自身的传质阻力以及微孔内两相界面稳定性等问题。1 1 2 液膜分离技术概述 膜分离技术是近年来在全球迅速崛起的一项新技术，近半个世纪以来，膜分离技 术得到了迅猛的发展。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法与传统的分离操作相 比，具有能耗低、分离效率高、无二次污染、工艺简单的优点。因此在苦咸水淡化、 饮用水处理、食品工业、医药工业、石油化工工业、生物工程、核工业、环境工程等 领域得到了广泛应用。 液膜分离是一种新型的膜分离技术，它具有膜分离的共同特点，因为它也是依据 膜对物质的选择渗透性的差异来进行分离的。液膜与固相萃取技术、固相微萃取技术、 吸附剂界面膜萃取技术都能有效地从环境样品中分离与富集目标组分。但液膜是由液 体形成的薄膜，它的厚度约为l 1 叽m ，比固膜薄得多。而且，溶质组分在液膜中的 扩散系数又比在固膜中大很多，组分通过液膜的传递速率比固膜大几个数量级。因此， 液膜分离技术和固膜相比具有传质速度快、选择性高、分离效率高的特点。 此外，在液膜内还可以引入活性载体，使待分离组分与活性载体发生可逆的化学 作用而促进传质过程，由此可以使组分通过膜的速率进一步增大，而且提高了膜的选 择性。 一 1 2 1 液膜分离技术发展简史 液膜技术的最早研究可以追溯到上世纪3 0 年代，生物学家o s t e 加u t 【6 4 1 用一种弱 有机酸作载体，发现了钠与钾透过含有该载体的“油性桥”的现象。根据溶质与“流 动载体 之间的可逆化学反应，提出了促进传递( f a c i l i t a t c d 咖s p o n ) 概念。进入5 0 年代后，这一传递现象被许多实验研究进一步证实。 l o 第一章文献综述 液膜( l i q u i dm e m b r a n e ) 作为一项分离技术被广泛研究始于本世纪6 0 年代。6 0 年代中期，b l o c h 掣6 5 j 采用支撑液膜( s u p p o r t e dl i q u i dm e m b r a n e ) 研究了金属提取过 程，w a r d 与r o b b i 叫研究了c 0 2 与0 2 的液膜分离，他们将支撑体液膜称为固定化液 膜( i m m o b i l i z e dl i q u i dm e m b r a n e ) 。美籍华人黎念之( n n l j ) 1 6 7 】在用d un u o y 环法 测定含表面活性剂水溶液与油溶液之间的界面张力时发明了液体表面活性剂膜( 1 i q u i d s u r f a c t a h t m e m b r a n e ) 或乳化液膜( e m u l s j o nl i q u i dm e m b r a n e ) 。黎念之先生对于乳化 液膜的发明，引起了全世界范围内膜学界人士的高